11.3實驗導(dǎo)體電阻率的測量（學(xué)生版）-高二物理講義（人教2019）

11.3實驗：導(dǎo)體電阻率的測量【物理核心素養(yǎng)】物理觀念：讓學(xué)生體會科學(xué)探究與邏輯思維相結(jié)合的物理觀念，體驗邏輯思維的力量?？茖W(xué)思維：培養(yǎng)學(xué)生控制變量，利用實驗抽象概括出物理規(guī)律的能力。科學(xué)探究：用控制變量法，探究導(dǎo)體電阻的決定因素科學(xué)態(tài)度與責(zé)任：通過電阻溫度計的教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實際、學(xué)以致用的思維品質(zhì)。【教學(xué)重難點】教學(xué)重點：游標卡尺和螺旋測微器的原理及讀數(shù)方法、測量導(dǎo)體電阻率原理教學(xué)難點：滑動變阻器分壓式接法、連接實物電路圖知識點一、游標卡尺1.構(gòu)造：主尺、游標尺（主尺和游標尺上各有一個內(nèi)、外測量爪）、游標卡尺上還有一個深度尺.（如圖所示）2.原理：利用主尺的單位刻度與游標尺的單位刻度之間固定的微量差值來提高測量精度.不管游標尺上有多少個小等分刻度，它的刻度部分的總長度比主尺上的同樣多的小等分刻度少1mm.常見的游標尺上小等分刻度有10個、20個、50個的，其規(guī)格見下表：刻度格數(shù)（分度）刻度總長度1mm與每小格的差值精確度（可精確到）109mm0.1mm0.1mm2019mm0.05mm0.05mm5049mm0.02mm0.02mm3.用途：測量厚度、長度、深度、內(nèi)徑、外徑.4.讀數(shù)若用x表示由主尺上讀出的整毫米數(shù)，K表示從游標尺上讀出與主尺上某一刻度線對齊的游標尺的格數(shù)，則記錄結(jié)果表示為（x＋K×精確度）mm.5.注意事項（1）游標卡尺是根據(jù)刻度線對齊來讀數(shù)的，所以不需要估讀，但讀數(shù)要注意最小精確度所在的位數(shù)，如果讀數(shù)最后一位是零，該零不能去掉.（2）讀數(shù)時，要注意游標尺第幾條刻度線（不含零刻度線）與主尺對齊.【經(jīng)典例題1】測量一鋼筆帽的內(nèi)徑時，游標卡尺示數(shù)如圖所示，該鋼筆帽的內(nèi)徑為_________。【變式訓(xùn)練1】某班同學(xué)在“長度的測量及測量工具的選用”分組實驗中，用不同規(guī)格的游標卡尺對不同粗細的圓柱體的直徑進行了測量，下面是其中三個小組的測量情況，圖甲游標尺格數(shù)為10格，圖乙為20格，圖丙為50格，其測量結(jié)果分別為：______、______、______。知識點二、螺旋測微器1.構(gòu)造如圖所示，它的測砧A和固定刻度B固定在尺架C上，可動刻度E、旋鈕D和微調(diào)旋鈕D′是與測微螺桿F連在一起的，并通過精密螺紋套在B上.2.原理測微螺桿F3.讀數(shù)方法L＝固定刻度示數(shù)＋可動刻度示數(shù)（估讀一位）×0.01mm.4.注意事項（1）讀數(shù)時準確到0.01mm，要估讀到0.001mm，測量結(jié)果若用毫米做單位，則小數(shù)點后面必須保留三位.（2）讀數(shù)時，要注意固定刻度上半毫米刻度線是否露出.【經(jīng)典例題2】用螺旋測微器測量電阻絲的直徑，如圖所示，則電阻絲的直徑分別為______、______?！咀兪接?xùn)練2】某同學(xué)要測量一均勻新材料制成的圓柱體的長度和直徑，步驟如下：（1）用20分度的游標卡尺測量其長度如圖甲，由圖可知其長度為_____mm；（2）用螺旋測微器測量其直徑如圖乙，由圖可知其直徑為_____mm?！咀兪接?xùn)練3】（1）如圖甲所示用0.6A量程時，電流表的讀數(shù)是________A；（2）如圖乙所示螺旋測微器讀數(shù)為_________mm。知識點四、金屬絲電阻率的測量一、實驗思路設(shè)計實驗電路，如圖，取一段金屬電阻絲連接到電路中，測出電阻絲的電阻R、長度l和直徑d（S＝eq\f(πd2,4)），由R＝ρeq\f(l,S)得：ρ＝eq\f(RS,l)（用R、S、l表示）＝eq\f(πd2R,4l)（用R、d、l表示），從而計算出該電阻絲所用材料的電阻率．二、物理量的測量1．電阻的測量根據(jù)伏安法測電阻的思想：用電壓表測電阻絲兩端的電壓，用電流表測電阻絲中的電流，讀出多組電壓、電流值，通過U－I圖像求R.2．電阻絲有效長度的測量用刻度尺測量電阻絲接入電路的有效長度l.反復(fù)測量多次，得到有效長度的平均值．3．電阻絲直徑的測量電阻絲比較細，所以我們采用累積的方法測量，或選取螺旋測微器或游標卡尺來測量電阻絲的直徑d.在不同位置測量三次，取平均值d后，根據(jù)S＝eq\f(1,4)πd2計算出電阻絲的橫截面積S.三、數(shù)據(jù)分析1、公式法求電阻：測量多組電流、電壓值，求出對應(yīng)的電阻后取平均值，不能對電流、電壓取平均值．2、圖像法求電阻：作出U－I圖像，由圖像的斜率求出電阻值，在設(shè)定標度時要盡量使各點間的距離拉大一些，連線時要讓各點均勻分布在直線的兩側(cè)，個別偏離較遠的點可以不予考慮．3、計算導(dǎo)體的電阻率：將三個測量值代入公式ρ＝eq\f(RS,l)＝eq\f(πd2R,4l)即可求電阻絲的電阻率．四、誤差分析1、測金屬絲直徑時會出現(xiàn)誤差，通過變換不同的位置和角度測量，然后再求平均值方法，達到減小誤差的目的；2、測金屬絲長度時出現(xiàn)的誤差，一定要注意到測量的是連入電路中的電阻絲的長度；3、電壓表、電流表讀數(shù)時會出現(xiàn)偶然誤差；4、電壓表、電流表內(nèi)阻對測量結(jié)果都會產(chǎn)生影響；應(yīng)采用電流表外接法測電阻來較小誤差；5、電流過大，通電時間過長，會使電阻絲發(fā)熱導(dǎo)致電阻發(fā)生變化，產(chǎn)生誤差?！窘?jīng)典例題4】【變式訓(xùn)練4】題組A基礎(chǔ)過關(guān)練1．請讀出下列螺旋測微器的示數(shù)。（）（）2．新式游標卡尺的刻度線看起來很“稀疏”，使讀數(shù)顯得清晰明了，便于使用者正確讀取數(shù)據(jù)。通常游標卡尺有10分度、20分度和50分度三種規(guī)格；新式游標卡尺也有相應(yīng)的三種，但游標尺刻度卻是等分成10份，等分成20份，等分成50份。下圖就是一個“等分成20份”的新式游標卡尺。（1）它的測量精度是______；（2）用它測量某物體的厚度，示數(shù)如圖所示，正確的讀數(shù)是______。3．如圖所示，游標卡尺的讀數(shù)為_____mm，螺旋測微器的讀數(shù)為______mm．4．某同學(xué)用毫米刻度尺、20分度游標卡尺和螺旋測微器分別測量一塊金屬板的長、寬、厚，測量結(jié)果分別如圖中甲，乙、丙所示，則刻度尺的讀數(shù)為___cm，游標卡尺的讀數(shù)為___cm，螺旋測微器的讀數(shù)為___cm。5．為測量一段粗細均勻、直徑為d、電阻較大的金屬絲的電阻率，某同學(xué)設(shè)計了如圖（a）所示的電路，其中MN為金屬絲，R0是保護電阻．調(diào)節(jié)滑動變阻器的滑片P，記錄電壓表的示數(shù)U，電流表的示數(shù)I以及對應(yīng)的金屬絲PN的長度x．（1）用螺旋測微器測量金屬絲的直徑，示數(shù)如圖（b）所示，則金屬絲的直徑d=______________mm；（2）在坐標紙上描繪出圖線，如圖（c）所示．若圖線的斜率為k，在縱軸上的截距為b，則金屬絲的電阻率ρ=____________（用題目中所給符號表示）；（3）如果不考慮偶然誤差，通過該實驗測得金屬絲的電阻率__________金屬絲電阻率的真實值（選填“大于”、“等于”或“小于”）．題組B能力提升練6．某實驗小組測量某圓柱復(fù)合材料的電阻率。（1）該實驗小組分別用20分度的游標卡尺、螺旋測微器測量其長度和直徑，某次測量結(jié)果如圖甲、乙所示。該圓柱復(fù)合材料的長度___________cm，直徑___________mm；（2）該實驗小組用如圖丙所示實驗電路測量其電阻值。閉合開關(guān)前，滑動變阻器的滑片應(yīng)置于___________端（填“a”或“b”）；（3）某次實驗時，電壓表的示數(shù)為U，電流表的示數(shù)為I，若用表示該圓柱復(fù)合材料的電阻的測量值，則該測量值比真實值偏___________（填“大”或“小”）。導(dǎo)致此誤差的原因是___________；（4）用實驗過程中測量的物理量對應(yīng)的字母表示電阻率，則該圓柱復(fù)合材料電阻率的表達式為___________。7．甲同學(xué)用二十分度的游標卡尺測一物體的長度，測得的結(jié)果如圖（a）所示，物體的長度為_______mm；乙同學(xué)用五十分度游標卡尺測另一物體的長度，測得的結(jié)果如圖（b）所示，物體的長度為______mm。8．若用毫米刻度尺測得金屬導(dǎo)線長度為L=60.00cm，用螺旋測微器測得的導(dǎo)線直徑如圖（a）所示，則該導(dǎo)線的直徑是d=_______mm；電壓表接0~3V量程時指針所指的位置如圖（b）所示，則電壓為U=_______V；電流表接0~0.6A量程時指針所指的位置如圖（c）所示則電流I=_______A。該金屬絲的電阻率=_______。9．（1）如圖甲、乙、丙所示的三把游標卡尺，它們的游標尺自左向右分別為10分度、20分度、50分度，它們的讀數(shù)依次為________mm、________mm、________mm。（2）某同學(xué)用如圖丁所示的螺旋測微器測量小球的直徑時，他應(yīng)先轉(zhuǎn)動________使F靠近小球，再轉(zhuǎn)動________使F夾住小球，直至聽到棘輪發(fā)出聲音為止，撥動________使F固定后讀數(shù)（填儀器部件字母符號）。正確操作后，螺旋測微器的示數(shù)如圖戊所示，則小球的直徑是______mm。10．在“測定金屬的電阻率”的實驗中，金屬絲的阻值約為，某同學(xué)先用刻度尺測量金屬絲的長度，再用螺旋測微器測量金屬絲的直徑，然后用伏安法測出金屬絲的電阻，最后根據(jù)電阻定律計算出該金屬絲的電阻率。（1）圖為某次測量金屬絲直徑時螺旋測微器的示數(shù)，其測量值_________。（2）實驗室提供的器材有：A．電壓表，（量程，內(nèi)阻約）B．電壓表，（量程，內(nèi)阻約）C．電流表（量程，內(nèi)阻約）D．電流表（量程，內(nèi)阻約）E.滑動變阻器F.滑動變阻器G.電源（電動勢為、內(nèi)阻不計）開關(guān)和導(dǎo)線若干從以上器材中選擇合適的器材進行實驗，則電壓表應(yīng)選擇________，電流表應(yīng)選擇_________，滑動變阻器應(yīng)選擇________。（選填器材前的字母）（3）利用圖示電路做實驗并讀出幾組數(shù)據(jù)。某同學(xué)建立了坐標系，并將測量數(shù)據(jù)描繪成坐標點，如圖所示。請你根據(jù)坐標點描繪出圖線_________，由圖線計算出金屬絲的電阻約為_________（保留兩位有效數(shù)字）。設(shè)被測金屬絲電阻為，長度為，直徑的平均值為，則該金屬材料電阻率的表達式為_________（用、、等物理量表示）。（4）關(guān)于本實驗的誤差，下列說法正確的是_________。A．用螺旋測微器測量金屬絲的直徑時，由于讀數(shù)引起的誤差屬于系統(tǒng)誤差B．由電流表和電壓表內(nèi)阻引起的誤差屬于偶然誤差C．若將電流表和電壓表內(nèi)阻計算在內(nèi)，可以消除由測量儀表引起的系統(tǒng)誤差D．用圖像處理數(shù)據(jù)求金屬絲的電阻可以減小偶然誤差11．小明對某鉛筆芯的導(dǎo)電性能感興趣，他用螺旋測微器測得筆芯的直徑如圖1所示，并用伏安法測量其電阻值。（1）螺旋測微器的讀數(shù)為________。（2）請按電流表外接法用筆畫線代替導(dǎo)線在圖2實物接線圖中完成余下導(dǎo)線的連接________。（3）小明測量了一段鉛筆芯的電流、電壓數(shù)據(jù)如下表所示。請在圖3所示的坐標紙上繪出圖線________。根據(jù)圖線求得這段鉛筆芯的電阻為________。（結(jié)果保留兩位有效數(shù)字）實驗次數(shù)1234567電壓0.020.170.290.460.630.800.97電流0.010.100.200.300.400.500.60題組C培優(yōu)拔尖練12．小張同學(xué)打算測量某種由合金材料制成的金屬絲的電阻率ρ。待測金屬絲的橫截面為圓形。實驗器材有毫米刻度尺、螺旋測微器、電壓表（內(nèi)阻幾千歐）、電流表（內(nèi)阻幾歐）、滑動變阻器、電源、開關(guān)、待測金屬絲及導(dǎo)線若干。（1）用毫米刻度尺測量其長度，用螺旋測微器測量其直徑，結(jié)果分別如圖甲和圖乙所示。由圖可知其長度L=___________cm，直徑D=___________mm；（2）該同學(xué)計劃用UI圖像法求出金屬絲電阻的阻值，實驗獲取數(shù)據(jù)時要求電壓從0開始變化。請將圖丙所示實物電路圖中所缺部分導(dǎo)線補全___________；（3）圖丁是實驗中根據(jù)測得的6組電流I、電壓U的值描的點，由圖求出的電阻R=___________Ω（保留3位有效數(shù)字）；（4）待測金屬絲的電阻率的表達式為ρ=___________（用字母R、D、L表示）。13．某同學(xué)根據(jù)圖甲的電路連接器材來“探究導(dǎo)體電阻與其影響因素的定量關(guān)系”。實驗時多次改變電阻絲接入電路的長度l、調(diào)節(jié)滑動變阻器的阻值，使電流表的讀數(shù)I達到某一相同值時記錄電壓表的示數(shù)U，從而得到多個的值，作出圖像，如圖乙所示。（1）滑動變阻器應(yīng)選_______（選填“”或“”）。（2）開關(guān)閉合前，滑動變阻器的滑片應(yīng)該移動到________端（選填“a”或“b”）。（3）在某次測量時，量程為的電壓表的指針位置如圖所示，則讀數(shù)_______V。（4）已知電阻絲的橫截面積為，則電阻絲的電阻率為_________（結(jié)果保留2位有效數(shù)字）。（5）本實驗中電流表的內(nèi)阻為_________（結(jié)果保留2位有效數(shù)字）。14．一根中空的細長均勻?qū)щ姌悠?，如圖a所示，環(huán)狀陰影部分為導(dǎo)電材料的截面，電阻約為100Ω，這種材料的電阻率為，因該樣品的內(nèi)徑太小，無法直接測量，現(xiàn)提供以下實驗器材：導(dǎo)電材料樣品Rx；毫米刻度尺；螺旋測微器；電壓表V（量程3V，內(nèi)阻約3kΩ）；電流表A（量程50mA，內(nèi)阻約20Ω）；滑動變阻器R（0~20Ω，額定電流2A）；直流電源E（約4V，內(nèi)阻不計）；開關(guān)一只，導(dǎo)線若干。請根據(jù)上述器材設(shè)計一個盡可能精確地測量該樣品內(nèi)徑d的實驗方案，回答下列問題：（1）用毫米刻度尺測出樣品的長度L；用螺旋測微器測得該樣品的外徑如圖b，其示數(shù)D=_______mm；（2）若所選儀器都合適，請設(shè)計一個合理的電路圖來測量導(dǎo)電材料樣品的電阻Rx。在圖c方框內(nèi)畫出實驗電路原理圖；（）（3）這個實驗電阻Rx的測量值將___________（填“大于”、“等于”或“小于”）實際值；（4）若某次實驗中，電壓表和電流表的讀數(shù)分別為U和I，則用已知物理量和測得的物理量的符號來表示樣品的內(nèi)徑d=___________。15．國標（GB／T）規(guī)定自來水在15℃時電阻率應(yīng)大于13Ω·m。某同學(xué)利用圖甲電路測量15℃自來水的電阻率，其中內(nèi)徑均勻的圓柱形玻璃管側(cè)壁連接一細管，細管上加有閥門K以控制管內(nèi)自來水的水量，玻璃管兩端接有導(dǎo)電活塞（活塞電阻可忽略），右活塞固定，左活塞可自由移動。實驗器材還有：電源（電動勢約為3V，內(nèi)阻可忽略）；電壓表V1（量程為3V，內(nèi)阻很大）；電壓表V2（量程為3V，內(nèi)阻很大）；定值電阻R1（阻值4kΩ）；定值電阻R2（阻值2kΩ）；電阻箱R（最大阻值9999Ω）；單刀雙擲開關(guān)S；導(dǎo)線若干；游標卡尺；刻度尺。實驗步驟如下：A．用游標卡尺測量玻璃管的內(nèi)徑d；B．向玻璃管內(nèi)注滿自來水，并用刻度尺測量水柱長度L；C．把S撥到1位置，記錄電壓表V1示數(shù)；D．把S撥到2位置，調(diào)整電阻箱阻值，使電壓表V2示數(shù)與電壓表V1示數(shù)相同，記錄電阻箱的阻值R；E．改變玻璃管內(nèi)水柱